工程背景下《海洋工程环境学》课程教学模式研究

邹丽　裴玉国　孙哲　孙铁志

摘要：随着我国“海洋强国”战略的不断推进，国家对发展海洋经济越来越重视，相关产业对船舶海洋工程专业应用型人才的培养提出了新的要求。《海洋工程环境学》课程是一门船舶与海洋工程类学生的专业必修课，课程主要侧重于工程实际应用，进一步激发学生对本专业的学习興趣，培养其独立处理、解决问题的能力。文章针对这一课程教学存在的问题和不足，在工程背景下对其课程教学模式进行了研究，旨在为培养解决工程实际问题的高素质应用型人才提供借鉴。

关键词：应用型人才培养;《海洋工程环境学》;工程背景;教学模式

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2020）13-0294-03

一、引言

随着“海洋强国”上升为国家战略以及“一带一路”倡议的实施，我国海洋经济不断发展，开发利用海洋资源的活动也不断深入，所涉及的海洋工程相关产业需要极强的工程理论基础作为支撑，以保证实际工程施工的可行性、经济性和安全性[1]。“海洋强国”需要海洋科学、海洋技术和海洋工程的协同发展作为支撑;海洋工程与时俱进的发展战略与发展方向对船舶工程类专业人才培养提出了新的要求[2]。《海洋工程环境学》课程作为船舶与海洋工程专业学生一门重要的专业课程，是培养适应海洋工程相关产业发展需要的创新型人才、技术型人才和应用型人才的基础课程。传统的《海洋工程环境学》课程在授课过程中偏向理论知识教学，存在学生学习积极性不高、课程教学不能立足于工程实际等不足，很难满足培养实践能力强的工程技术人才的需求。本文将探索《海洋工程环境学》课程的新教学模式，重点探讨在工程应用背景下，如何培养出可以解决实际问题的高素质应用型人才。

二、理论联系实际，紧密依托工程

（一）面向工程的《海洋工程环境学》

面向工程的海洋工程环境学，不同于海洋地质学，也区别于海洋气象学。海洋地质学，是研究地壳被海水淹没部分的物质组成、地质构造和演化规律的学科，研究内容涉及海岸与海底的地形、海洋沉积物、洋底岩石、海底构造、大洋地质历史和海底矿产资源等方面;海洋气象学是大气科学和海洋科学共同研究的领域，是研究海上大气的物理信息，以及海洋与大气相互作用规律的学科，研究内容涉及海洋与大气之间的水分和热量的交换，以及海洋对天气和气候变化的影响、海洋冰冻状况等方面。相较于这两门学科，海洋工程环境学是面向工程实际应用的海洋学，是研究海洋工程与自然环境之间相互作用的一门学科，主要研究海洋中的结构物于所在的海洋环境中所承受的来自波浪、海流、潮汐、风以及海冰等海洋环境的载荷作用等方面。海洋工程环境中的各个载荷要素十分复杂又相互影响，对海洋工程结构物的作用也十分复杂，面向工程的海洋环境学，是要通过研究各种环境要素本身的机理及其与海洋工程结构物之间的作用，来指导海洋工程结构物的设计与建造。

（二）课程内容与船级社及行业规范的结合

船级社及行业规范是理论知识在工程应用上最前沿、最直接的应用。课程在讲清理论知识的基础上，将着重探讨海洋环境相关资料的整理与推算，并与规范相结合，紧密依托工程需求。如在对风载荷的基本理论知识进行讲解后，将探讨各国船级社对于设计风速的不同设计要求、探讨不同行业规范在作用风压、受风构件的正投影面积、构件高度以及其形状选择上的不同。通过对不同规范中不同计算公式的对比与分析，在让学生掌握基础理论知识的基础上，引导学生了解不同规范对于理论知识的应用。

（三）课程内容引入实际工程

海洋工程环境学是一门实践性很强的课程，工程案例是一项不可缺少的教学材料[3]。通过大量工程实例穿插整个教学过程，最能吸引学生注意力，进一步激发其学习兴趣。课前查阅相关资料，准备充分的工程实例，通过充分设计紧扣课程知识。课中将理论知识与工程实例结合，重点讲述理论知识在工程实例中的应用。课后通过布置相关工程的实际问题，让学生学以致用，理论联系实际，进一步拓展所学的专业知识。在课程中针对我国自主攻克重大技术难题、取得的重大科技创新与突破的项目与实际工程，将结合课程内容，层层深入，进行多次、细致的讲解，如我国首座自主设计、建造的第六代深水半潜式钻井平台——“海洋石油981”平台;中国第一艘自行设计、自主集成研制的载人潜水器——“蛟龙号”载人潜水器以及我国唯一能在极地破冰前行的船只——“雪龙”号极地考察船等。除了上述工程实例外，工程事故案例也将列入课程内容之中，通过工程事故使学生深感海洋环境中设计和校核工况这一关决不能放松，唤起学生的工程责任意识，不仅有助于学生更快理解理论知识，又能培养学生的专业兴趣和对具体问题的分析能力。课程的结课考核方式为课程大作业，通过课程中理论知识的讲述、工程实例的引入、深入学习，学生在掌握基础的理论知识以及工程实例处理方法后，课程大作业以开放式方式，引导学生在感兴趣的实际工程问题中自主选择，自行分析，并进行展示。

三、科研融入《海洋工程环境学》课程

海洋工程环境学课程内容安排，依托于大连理工大学船舶工程学院多年授课积累的内容编写的《海洋工程环境学》讲义，但内容并不局限于讲义所涵盖的范围，还将着重把当前科学研究内容作为课程理论知识点的补充内容，从而提前培养本科生的科研素养，让本科生提前体验学术研究氛围，激发学生对进一步深造的兴趣。

（一）引入成熟、成功的科研研究成果

结合相应的授课内容，引入在学术领域内相关的并受到广泛认可的科研研究成果，以拓展学生视野。在海洋工程设计中，经常需要统计各种海洋水文气象的极值参数，以满足设计需要。例如，在海洋石油钻井平台和海港工程的设计中，均需计算多年一遇风速、波高和波周期的极大值;在港湾的建设、码头的设计需要计算多年一遇的最高、最低水位;某些海洋工程设计也需要水温最高、最低值、气温的统计计算等[4]。

目前，有關海洋结构物的设计建造规范明确规定了极端事件的概率，如百年一遇波浪，即该波浪的重现期为100年，通常，这一事件的出现概率仅为十亿分之一，然而，计算表明，对于一个设计寿命为20年的结构物，遭遇百年一遇的极端海况的概率可达18%。极端海况条件对结构响应和强度设计至关重要，通过对目标海域波浪运动合理有效的数值预报计算，给出该海域极限海况下的波浪参数，在进行工程设计时充分考虑这些工况，才能在保证工程安全的前提下，降低实际成本。但事实上，海洋水文气象观测年份是有限的，目前，我国沿海海洋站一般只有二三十年，甚至一两年的历史资科，而工程上所需的多年一遇极值却是一类小概率事件，很少出现在有限的现有观测记录中。为了从现有实测资料中推算出今后若干年可能出现的极值，目前应用较为广泛的方法为极限波浪推算方法，将此方法引入本课程，让学生了解学术领域内相关的广泛认可的科研成果，在实际工程中的应用。

（二）引入激发学生学习兴趣的研究内容

兴趣是学习最好的老师，培养学生学习兴趣是课程教学取得最优效果的关键。《海洋工程环境学》课程开课以来的几年课堂教学经验表明，学生对于波浪演化、海洋内波、泥沙运动等画面感强烈、新颖的研究内容充满学习热情与兴趣。在此方面的教学中，将科学、合理地引入信息化的教育技术，利用多媒体教学方法，通过前期搜集准备的图片、录像、Flash动画等，生动形象地表述波浪各种演化、海洋内波生成与传播、泥沙运动等海洋动态的物理运动过程，以及外界因素对其产生的影响[5]。图片和录像可以增加学生对工程的直观认识，形象地表达某些重要概念或实际的工程处理方法，有利于强化概念理解和解决实际工程问题能力的培养[6]。作为工科专业，学生既需要良好的专业理论基础，同时也需要较多的实践训练来培养观察和知识的实际应用能力[7]。因此本课程教学还将充分利用学校实验室教学资源，如大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室、船模拖曳试验水池、内波实验室等，课程教学课时包含学生参观相关实验室、参与相关实验。理论与实践相结合，在巩固理论知识的情况下，将相关理论可视化、形象化，培养学生的动手能力与实验分析研究能力。只有经过学生的观察和动手，才能更好地发现问题，同时在发现问题后有意识地去解决问题，提高学生动手和解决问题的能力。

（三）引入数值模拟技术

计算机技术的快速发展及广泛应用，使得海洋环境数值模拟技术取得了巨大的进展与成功。作为现代工程学科“理论分析”“数值模拟”和“实验分析”中的三大支点之一，海洋环境数值模拟技术从海洋中基本的质量守恒、动量守恒、能量守恒等方程出发，以离散和有限元方法对海洋中的现象进行分析计算，诠释海洋中的物理规律，模拟海水的运动过程[8-9]。海洋环境数值模拟技术能模拟不同条件下的海洋水文状况，将数值模拟技术引入教学，可以让学生通过相关计算模型的前处理、数据处理、代码分析、模式运行、数据的可视化等环节的实践操作，与理论知识和实验操作相联系，一方面能将理论知识中的偏微分方程等大量抽象的问题形象化，使得专业中的相关基础理论得以应用，另一方面能够突破实验室的限制，从而使学生能够对复杂的海洋环境产生更为全面、直观且深刻的认识与掌握。

四、总结

《海洋工程环境学》课程作为船舶与海洋工程专业一门重要的专业课程，本文提出的课程教学模式，面向实际工程应用，对于理论和实践两个教学环节交叉运用。《海洋工程环境学》课程的教学环节中只有以培养应用技能型人才为目标，以应用创新为导向，让学生热爱船舶与海洋工程专业，提高学习兴趣，培养独立处理问题、解决实际问题的能力，才能达到最佳的教学与学习效果。

参考文献：

[1]郑少军，严厉.工程环境海洋学的教学改革研究[J].教育教学论坛，2019，（36）：100-101.

[2]蒋浩宇，赵恩金，程飞，等.海洋环境数值模拟在海洋工程专业研究生教育中的应用[J].教育教学论坛，2019，（2）：147-149.

[3]张亚.海洋工程环境课程的教学改革研究[J].专业，2012，12（4）：144-145.

[4]刘涛.极限波浪推算方法与波浪传播的数值模拟[D].天津大学，2006.

[5]张宝吉，周晖.卓越工程师培养计划的“船舶阻力与推进”课程的教学改革与实践[J].船海工程，2016，45（6）：158-160.

[6]韩鑫，蓝尉冰，焦自权.实践化教学模式在“船舶原理”课程教学中的应用[J].产业与科技论坛，2015，14（15）：188-189.

[7]韩翔希，符妃，冯志强.以培养应用型本科人才为导向的《船舶原理》课程改革总体思路探[J].课程教育研究，2018，（14）：232-233.

[8]蒋浩宇，赵恩金，程飞，等.海洋环境数值模拟在海洋工程专业研究生教育中的应用[J].教育教学论坛，2019，（05）：147-149.

[9]刘红英，刘红坤.有限元模拟技术在物理实验教学中应用实例分析[J].物理教学，2014，（8）：33-34.

Study on Teaching Mode of "Environmental Mechanics of Ocean Engineering" Course under Engineering Background

ZOU Li1，2*，PEI Yu-guo2，SUN Zhe2，SUN Tie-zhi2

（1.State Key Laboratory of Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning 116024，China;

2.School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian，Liaoning  116024，China ）

Abstract：With the continuous development of Marine economy in China，the state pays more and more attention to the development of marine economy，and related industries have put forward new requirements for the training of application-oriented talents in marine and marine engineering.The course "Marine Engineering Environment" is a compulsory course for students majoring in marine and marine engineering.The course mainly focuses on the practical application of engineering，which further stimulates students' interest in studying the specialty and cultivates their ability to handle and solve problems independently.Aiming at the problems and deficiencies in this course teaching，this paper studies its course teaching mode in the engineering background，and aims to provide reference for the cultivation of high-quality applied talents who solve practical engineering problems.

Key words：applied talent training;Marine Engineering Environment;engineering background;teaching mode